easy SI (1)——什么是地弹？有哪些危害？

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问题什么是地弹？有哪些危害？

" z: U+ T* T' J+ J; C6 B$ ~地弹定义：
$ S( L8 c& W$ f+ O9 S7 ^所谓“地弹”，是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（ground bounce）。当器件输出端由一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。对于任何封装的芯片，其引脚会存在电感电容等寄生参数。而地弹正是由于引脚上的电感引起的。 现在，集成电路的规模越来越大，开关速度不断提高，地弹噪声如果控制不好就会影响电路的功能，因此有必要深入理解地弹的概念并研究它的规律。
8 l2 i" ]  N* |芯片内同一电源供电的多个I/O管脚输出buffer从1到0同步跳变时，外部负载通过IO接口向GND网络灌入大量的瞬态电流，引起GND内部节点电平相对系统GND产生变化，即发生地弹现象。对应地弹Ground Bounce还有一个概念叫Vcc Bounce，从0到1，影响Vcc的电平，只是器件一般对Vcc容忍能力强一些，所以Vcc Bounce经常被忽略了。   
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6 L) E" e) \, Z$ v6 _  n' }) Y8 ?为什么叫“地弹”

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。
+ I$ ?3 B0 W% Y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”。
2 e: h+ I" m" w! Y. ^( F& H- S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，理解就好！估计你不用往下看都可以了。

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, Y) [1 Q& c5 d9 x4 t+ X) ^地弹形成的机理：
, Z; @7 _4 F% q, h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”。
1 H+ L+ w6 s1 ^+ ]' L1 \1 A! ~6 ]7 v“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。


- b. V: t7 [/ t+ `$ P% b地弹的危害：
由于地平面电平被干扰，所以会引起输入输出信号的误判。同时地弹还会影响信号边沿，使信号边沿变缓。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？
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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。
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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！

5 I8 ?3 i" X" m6 m  \- b2 O4 P5 E那我告诉你，地线真有可能存在辐射！  
+ R# U/ L* U: p  f# K6 V( P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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7 f4 T" d5 G: o+ |" s如何减弱“PCB地弹效应”：
. u3 q3 T( V; s! P( z, u# i3.1、增加恰当的去耦电容
) p/ g! n* W3 V% ^7 e: C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？
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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）：
! y* H% R5 f4 }& O, d$ g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
5 {2 d- b  e9 I# [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：
- [  @0 v+ P4 s1、“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
/ B" ~( Q2 A% v  e- X“（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
! J2 }% ^0 f' z“（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。
8 j9 f: R: G" _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
! f* W; Z% _% \3 [6 k$ E. U) L3 S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？
4 i! C8 S+ W% x$ a/ w: ~- |0 p' J" K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”

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